Esistono vari tipi di tecnologie di sensori e differenze significative nella domanda del settore, il che rende estremamente difficile scegliere il miglior sensore di temperatura per applicazioni specifiche. Tuttavia, molte applicazioni richiedono letture precise, quindi è necessario valutare diversi prodotti esistenti.
Quando si selezionano i sensori di temperatura, è necessario bilanciare più fattori per soddisfare i requisiti di progettazione: precisione, tempo di risposta, protocollo di comunicazione, tolleranza ambientale, consumo energetico, costi e integrazione del sistema. I sensori sono generalmente suddivisi in quattro tipi di uscite di tensione analogiche e un tipo di uscita di segnale digitale:
Termocoppia: con un ampio intervallo di temperature e una lunga durata, può misurare temperature da basse a oltre +1800 ° C. Le termocoppie sono robuste e durevoli, in grado di resistere ad ambienti difficili e di rispondere rapidamente ai rapidi cambiamenti di temperatura. Tuttavia, la loro precisione e stabilità non sono buone quanto quelle di altri sensori e richiedono il condizionamento del segnale. Le termocoppie sono particolarmente adatte per le industrie pesanti come la produzione di acciaio e vetro, nonché per gli elettrodomestici e gli elettrodomestici commerciali ad alto calore.
Rilevatore di temperatura a resistenza (RTD): con elevata precisione e stabilità, è molto adatto per l'automazione industriale e i campi di controllo dei processi che richiedono una precisione estremamente elevata. L'RTD è comunemente utilizzato nelle industrie alimentare e farmaceutica per ottenere un rigoroso controllo della temperatura durante processi quali la preparazione della birra, la disinfezione e la frittura. L'RTD può fornire misurazioni accurate della temperatura per sistemi HVAC, nonché apparecchiature mediche e di laboratorio come incubatori e strumenti analitici. Rispetto ad alternative come le termocoppie, gli RTD possono avere costi più elevati e sono più fragili a causa della loro dipendenza da elementi di rilevamento a filo sottile o a pellicola sottile. L'RTD viene solitamente utilizzato in combinazione con circuiti di misurazione di precisione, il che aumenta la complessità e il costo della progettazione.
Termistore: un resistore costituito da semiconduttore, con un valore di resistenza che cambia con la temperatura e un'elevata sensibilità. Piccole variazioni di temperatura e grandi variazioni di resistenza consentono il rilevamento di piccole fluttuazioni di temperatura con alta risoluzione. I termistori hanno dimensioni ridotte, velocità di risposta elevata e basso costo e coprono varie specifiche, dalle microsfere alle sonde più grandi. I termistori sono adatti per applicazioni con un intervallo di temperatura limitato, in genere tra -50 ° C e 150 ° C. I termistori hanno una vasta gamma di applicazioni, inclusi dispositivi medici ed elettronica di consumo relativi alla temperatura ambientale o umana, nonché applicazioni automobilistiche, sistemi di gestione delle batterie, elettronica di consumo, rilevamento di incendi e fumi e altri campi. Tuttavia, la curva di resistenza non lineare dei termistori richiede formule di conversione o tabelle di ricerca per convertire accuratamente il valore di resistenza in temperatura e, rispetto agli RTD, i termistori potrebbero variare nel tempo.
Sensore di temperatura a diodi: con una velocità di risposta rapida e dimensioni ridotte rispetto agli altri tre sensori analogici, può essere facilmente collegato a microcontrollori, convertitori analogico-digitali (ADC) e circuiti integrati specifici dell'applicazione (ASIC). Il sensore di temperatura a diodo ha un elevato rapporto costo-efficacia, con un intervallo di temperatura limitato da -55 °C a +150 °C. Può essere ampiamente utilizzato in molti campi come l'elettronica di consumo, l'automazione industriale, i sistemi di archiviazione di data center e le automobili. Questo tipo di sensore ha una precisione inferiore rispetto all'RTD, è suscettibile al rumore del sistema e in genere richiede la calibrazione per garantire letture coerenti tra diversi dispositivi.
Sensore di temperatura digitale: un tipo di circuito integrato (IC) utilizzato per misurare la temperatura e fornire direttamente un output digitale, in genere trasmettendo dati tramite protocolli di comunicazione standard come SMBus, I² C, SPI o 1-Wire. I sensori digitali non richiedono il condizionamento del segnale esterno, l'amplificazione e la conversione da analogico a digitale come i sensori analogici.
Principio di selezione
La scelta del sensore di temperatura appropriato richiede un equilibrio tra precisione, tempo di risposta, durata e costo, oppure la selezione dei componenti appropriati in base ai requisiti specifici del settore.
L'ambiente di lavoro in cui viene selezionato il sensore di temperatura gioca un ruolo cruciale. Negli ambienti difficili sono necessari sensori robusti e durevoli come termocoppie o RTD rivestiti, mentre termistori o sensori a semiconduttore sono più adatti per ambienti controllati. Anche il costo e la scalabilità sono fattori da considerare nella produzione di massa: i termistori sono convenienti, mentre gli RTD e le termocoppie di fascia alta hanno stabilità a lungo termine.
Il compromesso tra accuratezza e praticità è altrettanto cruciale per i designer nel loro processo di selezione. L'RTD ha un'elevata precisione, ma è costoso; Le termocoppie hanno una vasta gamma di applicazioni, ma la loro precisione è relativamente bassa. Il tempo di risposta e la posizione sono ugualmente critici: i sensori leggeri come termocoppie e termistori hanno velocità di risposta elevate, ma la posizione di installazione può influire sulle prestazioni.
Il costo dei sensori e dei relativi circuiti influenzerà notevolmente la scelta, soprattutto nei prodotti di consumo o nella produzione di massa. Il costo dei diversi tipi di sensori varia notevolmente. I sensori analogici richiedono il condizionamento del segnale, mentre i sensori digitali possono semplificare l'integrazione. La riduzione dei circuiti analogici e del lavoro di calibrazione può ridurre al minimo i costi complessivi, anche se la scelta di sensori digitali dal costo leggermente più elevato è ragionevole.
Sensori digitali e loro caratteristiche
I sensori digitali convertono internamente i segnali analogici e trasmettono i dati sotto forma di flusso digitale, in genere con una migliore resistenza al rumore e la capacità di eseguire elaborazioni dei dati più complesse. Analog Devices, Inc. (ADI) offre un'ampia gamma di combinazioni di prodotti per sensori di temperatura analogici e digitali e i progettisti devono valutare attentamente quale prodotto soddisfa al meglio le loro esigenze applicative. Di seguito è riportata una breve introduzione ad alcuni sensori digitali.
Se sono necessarie letture precise della temperatura, l'accuratezza può essere il fattore di selezione più importante. Il sensore digitale MAX31888 di ADI ha una precisione di ± 0,25 ° C nell'intervallo da -20 ° C a +105 ° C e può comunicare con un microcontroller tramite un bus 1-Wire per ottenere un circuito di monitoraggio della temperatura ad alta precisione (Figura 1). Ogni MAX31888 ha il proprio numero di registrazione univoco a 64 bit utilizzato come indirizzo di nodo in una rete a linea singola multipunto.